แบตเตอรี่ใหม่ที่ฝังไว้สำหรับอุปกรณ์ที่ใช้พลังงาน-ของมนุษย์?
ตามรายงานของสื่อต่างประเทศ นักวิทยาศาสตร์กำลังศึกษาการแปลงพลังงานกล ความร้อน และเคมีในร่างกายมนุษย์ให้เป็นพลังงานไฟฟ้าผ่านเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริก การแปลงพลังงานความร้อน ผลกระทบจากไฟฟ้าสถิต และปฏิกิริยาเคมี เพื่อจัดหาอุปกรณ์สวมใส่หรือฝังได้ . ขับเคลื่อนโดย
In ISing the Body Electric, poet Walt Whitman speaks fondly of the "action and power" of "beautiful, strange, breathing, laughing muscles." More than 150 years later, MIT materials scientist and engineer Canan Dagdeviren and her colleagues are using research to give new meaning to Whitman's poetry. They are working on a device that can generate electricity from the beating of people's hearts.
Today's electronics are so powerful that the computing power of smartphones far exceeds the processing power of NASA's associated crew equipment when the first astronauts were sent to the moon in 1969. Over time, the rapid development of technology has led to higher and higher expectations for wearable or implantable devices.
The main drawback of most wearable and implantable devices is still battery life, whose limited battery capacity can limit the long-term use of the device. When the pacemaker's power runs out, all you need to do is replace the battery for the patient's surgery. The fundamental solution to this problem may lie within the human body, which is rich in chemical, thermal, and mechanical energy. This has led scientists to repeatedly study how the device harvests energy from the human body.
For example, the movement a person makes while breathing can generate 0.83 watts of energy; the human body has about 4.8 watts of heat in a calm state; and a person's arms can generate up to 60 watts of energy when exercising. A pacemaker needs only five millionths of a watt to run for seven years, a hearing aid needs only one thousandth of a watt to run for five days, and a watt of power can power a smartphone for five Hour.
ตอนนี้ Dagviren และเพื่อนร่วมงานกำลังศึกษาวิธีการใช้ร่างกายมนุษย์เป็นแหล่งพลังงานสำหรับอุปกรณ์ นักวิจัยได้เริ่มทดสอบอุปกรณ์สวมใส่หรือฝังเทียมในสัตว์และมนุษย์แล้ว
หนึ่งในกลยุทธ์ในการเก็บเกี่ยวพลังงานเหล่านี้เกี่ยวข้องกับการแปลงพลังงานจากแรงสั่นสะเทือน ความดัน และความเค้นเชิงกลอื่นๆ ให้เป็นพลังงานไฟฟ้า วิธีนี้จะทำให้เกิด-เรียกว่า piezoelectricity ซึ่งมักใช้ในลำโพงและไมโครโฟน
A commonly used piezoelectric material is lead titanate zirconate, but its high lead content has raised concerns because lead is too toxic to humans. "But to break down the lead structurally, you need to heat it to more than 700 degrees Celsius," Dagvilen said. "You'll never get to that temperature in the human body."
To take advantage of the piezoelectric effect, Dagviren and her colleagues developed flat devices that can be attached to organs and muscles such as the heart, lungs and diaphragm. These devices are "mechanically invisible" because their mechanical properties are more similar to their environment, so they move without interfering with the normal functioning of these tissues.
So far, the devices have been tested on cows, sheep and pigs, because these animals have hearts about the same size as a human heart. "When these devices are mechanically distorted, they generate positive and negative charges, voltages and currents, so that energy can be harvested to charge the battery," Dagviren explained. "You can use them to run the heart biomedical devices such as pacemakers, rather than having to be surgically replaced every six or seven years after the battery is depleted."
นักวิทยาศาสตร์ยังกำลังพัฒนาเครื่องเก็บเกี่ยวพลังงาน piezoelectric ที่สวมใส่ได้ ซึ่งสามารถสวมใส่ได้บนเข่าหรือข้อศอก หรือใส่ในรองเท้า กางเกง หรือชุดชั้นใน ด้วยวิธีนี้ บุคคลจะสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้เมื่อเดินหรือก้มตัว
It may seem counterintuitive when designing piezoelectric components that you don't need the best materials for generating electricity. For example, instead of choosing a material that can convert 5 percent of mechanical energy into electrical energy, scientists may use materials that have a conversion efficiency of 2 percent or less. If it translates more, "it may do so by putting more load on the body, but the user certainly doesn't want to get tired from that," Dagvilen said.
Another energy harvesting method is to use thermoelectric conversion materials to convert bulk heat into electrical energy. "Your heart beats more than 40 million times a year," Dagviren points out. All of this energy is dissipated as body heat—a potential resource that can be captured.
Human thermal power generation does face some major problems. This type of energy conversion often relies on temperature differences, but the body's body temperature often remains fairly constant, so the temperature differences within the body are not high enough to generate a lot of electricity. However, if these devices could be exposed to a relatively cool external environment while collecting body temperature, the problem could be solved.
Scientists are exploring heat-generating devices for wearable devices, such as powering watches. The heat produced by the human body could, in principle, generate enough electricity to power wireless health monitors, artificial hearing aids and cerebral cortical stimulators for Parkinson's disease.
นอกจากนี้ นักวิทยาศาสตร์ยังพยายามให้พลังงานแก่อุปกรณ์ผ่านเอฟเฟกต์ไฟฟ้าสถิตทั่วไป เมื่อวัสดุสองชนิดที่ต่างกันชนกันหรือเสียดสีกันซ้ำแล้วซ้ำเล่า พื้นผิวของวัตถุหนึ่งสามารถจับอิเล็กตรอนจากพื้นผิวของอีกวัสดุหนึ่ง ทำให้เกิดประจุไฟฟ้าขึ้น ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เรียกว่าการสร้างกระแสไฟฟ้าแบบไทรโบอิเล็กทริก ข้อได้เปรียบหลักของการใช้ไฟฟ้าแบบไตรโบอิเล็กทริกคือความสามารถของวัสดุเกือบทั้งหมด ทั้งจากธรรมชาติและสังเคราะห์ เพื่อสร้างไฟฟ้าสถิตย์ ซึ่งเปิดโอกาสให้นักวิจัยออกแบบแกดเจ็ตได้หลากหลาย
"The more I study triboelectricity, the more exciting it is, and the more applications it may have," said Georgia Tech nanotechnology expert ZhongLin Wang, co-author of the paper. "I can Seeing myself committing to this research for the next 20 years."
The amount of electricity produced by different materials through triboelectricity varies widely, so scientists are experimenting with a variety of materials. The researchers made grids of cubes that resemble microscopic city blocks, nanowires that resemble bamboo forests, and pyramid arrays of the kind that resemble the Great Pyramid of Giza. Not only do these materials "look beautiful," Wang said, but covering the surface with an array of pyramids can increase power generation by a factor of five compared to flat panels.
Researchers have conducted experiments in mice, rabbits and pigs, where they have tested pacemakers, heart monitors and other implantable devices powered by breathing and the rapid heartbeat. "We're also investigating whether we can use triboelectricity to stimulate cell growth and accelerate wound healing," Wang said. "Also, we've started triboelectric experiments on neural stimulation to see if we can do it for neuroscience. any contribution."
Wang and his colleagues also designed wearable devices that are triboelectrically charged. For example, they made triboelectric cloths that can charge flexible wristbands with lithium-ion batteries. The gadget powers a Bluetooth-enabled wearable heart rate monitor, which transmits its data wirelessly to a smartphone. "The mechanical energy generated by human movement every day can be converted into electricity through our cloth," Wang said.
อีกกลยุทธ์หนึ่งต้องอาศัยอุปกรณ์ที่เรียกว่าเซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพ ซึ่งสร้างกระแสไฟฟ้าผ่านปฏิกิริยาเคมีระหว่างเอนไซม์กับพลังงาน-โมเลกุลที่กักเก็บในร่างกาย เช่น กลูโคสในเลือด หรือแลคเตทที่หลั่งออกมาในเหงื่อ ตัวอย่างเช่น เซลโลไบโอสดีไฮโดรจีเนสที่สกัดจากเชื้อราสามารถสลายกลูโคสและสร้างกระแสไฟฟ้าในท่อคาร์บอนขนาดนาโนเมตร (หนึ่งในพันล้านของเมตร)
การเลือกเอนไซม์อาจเป็นเรื่องยาก ตัวอย่างเช่น ในขณะที่นักวิทยาศาสตร์หลายคนพบว่ากลูโคสออกซิเดสสามารถสร้างกระแสไฟฟ้าในเซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพที่ฝังอยู่ในหนูทดลอง เอนไซม์ยังผลิตไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ (ส่วนประกอบสารฟอกขาวทั่วไป) ซึ่งอาจจะทำให้ประสิทธิภาพของอุปกรณ์แย่ลงและก่อให้เกิดอันตรายต่อร่างกายได้
ในการศึกษาอื่น การสแกนไมโครกราฟอิเล็กตรอนแสดงให้เห็นว่าท่อนาโนคาร์บอนที่ใช้ในเซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพทดลองสามารถสร้างกระแสไฟฟ้าจากร่างกายได้ หลอดเคลือบด้วยเอ็นไซม์ที่ประมวลผลโมเลกุลพลังงานตามธรรมชาติ เช่น แลคเตทในเหงื่อหรือกลูโคสในเลือด เครื่องมือนี้มีปฏิกิริยาทางไฟฟ้าในขณะที่ให้พื้นที่ผิวขนาดใหญ่สำหรับเอนไซม์ที่ทำปฏิกิริยากับพลังงาน ทำให้สามารถผลิตไฟฟ้าได้มากขึ้นสำหรับปริมาตรที่กำหนด
นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศสยังได้สร้างเซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพโดยใช้เอ็นไซม์-เคลือบคาร์บอนนาโนทิวบ์ที่มีขนาดประมาณครึ่งช้อนชา และเมื่อปลูกถ่ายในหนูทดลอง สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้มากพอที่จะจ่ายไฟให้กับ LED หรือเทอร์โมมิเตอร์แบบดิจิตอลโดยทำปฏิกิริยากับน้ำตาลในเลือด . การทดลองยังแสดงให้เห็นว่าเซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพที่เป็นผ้าที่ทอเป็นแถบคาดศีรษะและสายรัดข้อมือสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้มากพอที่จะจ่ายพลังงานให้กับนาฬิกาผ่านปฏิกิริยาเคมีของกรดแลคติกในนมและเหงื่อด้วยเอนไซม์
เท่าที่ Dagvilen ทราบ ไม่มีอุปกรณ์เหล่านี้ออกสู่ตลาดในขณะนี้ แต่เธอคาดการณ์ว่าเทคโนโลยีจะเข้าสู่ตลาดภายในเวลาไม่ถึงทศวรรษ ในอนาคต อุปกรณ์เก็บพลังงานอาจเหมาะกับร่างกายมนุษย์มากขึ้น Dagvilen และเพื่อนร่วมงานของเธอกำลังทำงานเกี่ยวกับพลังงานที่ย่อยสลายได้-สร้างแกดเจ็ต
"Imagine," she said, "putting a device in your body, and after a while it degrades into molecules that dissolve into body fluids, and you can take it out without opening your chest: we can use biodegradable Materials such as silk and zinc oxide that decompose over time."
